渠道襯砌防滲和防凍脹的設(shè)計(jì)與探討

李嚴(yán)坤，王國志，屈明洋

渠道襯砌防滲和防凍脹的設(shè)計(jì)與探討

李嚴(yán)坤1，王國志1，屈明洋2

（1.黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江大慶163316；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱150080）

為了保證北引渠道輸水安全和達(dá)到防滲及防凍脹的目的，對(duì)原有引水總干渠道進(jìn)行了擴(kuò)建，采用了預(yù)制混凝土板、土工膜雙防結(jié)構(gòu)斷面形式，通過對(duì)渠道進(jìn)行防滲和防凍脹設(shè)計(jì)技術(shù)，探討了省工省料、防滲和抗凍效能好的的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)提出了相應(yīng)建議。

渠道襯砌；防滲；防凍脹；設(shè)計(jì)；措施

為滿足大慶市工業(yè)用水和沿途縣鎮(zhèn)灌溉農(nóng)業(yè)用水，提升輸水能力降低渠道輸水滲漏問題，自2008年9月開始，黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程北部引嫩總干渠烏北段輸水渠道采取了一系列防滲措施。北部引嫩總干渠烏北段（0＋000～50＋000km），由于地處高寒區(qū)，冬季氣溫低（年平均氣溫5～-3℃，極端最低氣溫-40℃），20世紀(jì)70年代初期興建的引水干渠只是對(duì)進(jìn)水閘下游250 m內(nèi)邊坡進(jìn)行了護(hù)砌，渠底基本未護(hù)砌，輸水滲漏問題嚴(yán)重。根據(jù)近年來制定的《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（GB／T50600—2010）和《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL23—2006），此規(guī)范較系統(tǒng)、全面的規(guī)范了渠道工程在防滲設(shè)計(jì)和抗凍設(shè)計(jì)中所采用技術(shù)要求，使我國在渠道工程中的防滲設(shè)計(jì)和防凍脹設(shè)計(jì)達(dá)到了規(guī)范化的要求［1］，同時(shí)土工膜和預(yù)制混凝土板的應(yīng)用為解決渠道防滲問題提供了經(jīng)驗(yàn)和新途徑。

1 渠道橫斷面防滲設(shè)計(jì)

1.1 防滲膜鋪襯方式及選用

作為引嫩擴(kuò)建工程永久性輸水渠道，處于寒帶經(jīng)歷土壤凍、融、脹、縮等復(fù)雜過程，為了減緩防滲膜的老化速度，延長使用壽命，技術(shù)要求采用埋藏式鋪設(shè)為適宜。梯形斷面能保證防滲膜在自然松弛狀態(tài)下使其呈最大表面積鋪在地基土或邊坡堤土上，不致出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象或防止局部拉的太緊土基沉降時(shí)土工膜產(chǎn)生撕裂，導(dǎo)致整體性破壞，防滲膜下形成氣泡等現(xiàn)象。應(yīng)用渠道防滲技術(shù)后，減少滲漏損失的87%～92%。土工膜平貼渠堤鋪設(shè)，鋪設(shè)時(shí)不要拉的太緊，且鋪完后禁止任何機(jī)械在上面作業(yè)，兩幅之間搭接寬度＞20 cm，在順?biāo)鞣较蛏弦嫌畏鶋合掠畏M(jìn)行搭接。

目前，中國各地生產(chǎn)的的復(fù)合土工膜所用的化學(xué)原料不同，廠商經(jīng)營品種較多，經(jīng)資質(zhì)單位檢測(cè)合格后只要其物理力學(xué)指標(biāo)滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)均可采用。

1）頂破強(qiáng)力（CBR）為1.2 kN≥1.1 kN。

2）縱向斷裂強(qiáng)度為5.2 kN／m，橫向斷裂強(qiáng)度為5.3 kN／m≥5.1 kN／m。

3）斷裂強(qiáng)度為54%、55%，在30%～120%。指標(biāo)滿足工程要求，設(shè)計(jì)和施工嚴(yán)格按《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》和《堤防工程施工規(guī)范》執(zhí)行。

1.2 邊坡受力分析

首先是在保證渠道斷面穩(wěn)定，其次是為了最大限度地節(jié)約土地、材料和勞動(dòng)力，試驗(yàn)資料表明，采用邊坡比≥1∶2.5。在高地下水位區(qū)襯砌渠道襯護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性是重力與地下水的作用力以及襯砌防護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作用力形成的抗滑力與滑動(dòng)力之間受力進(jìn)行判斷。作者在這里采用面破壞模式，要求土體沿滑動(dòng)面滿足屈服強(qiáng)度的原則進(jìn)行研究受力分析，邊坡滲流溢出線以下，采用分割單元取邊坡表面層單位土體的極限平衡方程，公式為：

式中：r＇為被研究邊坡土體浮密度，g／cm3；Ic為臨界水力坡降；rw為水的密度，g／cm3；φ為土體內(nèi)摩擦角；?為渠邊坡坡腳；φ＇為襯砌體與緊鄰坡面土體的內(nèi)摩擦角；θ為水流線與水平線的夾角。

結(jié)合工程實(shí)際，選取邊坡滲流溢出處滑動(dòng)面單位土體為研究對(duì)象，渠道邊坡浮力分析見圖1。根據(jù)受力條件有：

上述極限平衡方程等式的左側(cè)：

當(dāng)下游用水量減少，進(jìn)水閘閘門開度降低，導(dǎo)致出現(xiàn)渠道水位驟降情況；當(dāng)坡面有順坡滲流時(shí)，對(duì)于堤身是極不穩(wěn)定的，總干渠設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行混凝土板護(hù)砌。

圖1 渠道邊坡受力分析示意圖

其中：Ni為襯護(hù)體自重產(chǎn)生的垂直坡面的壓力；Ri為襯護(hù)體產(chǎn)生的抗滑摩擦力；fi為滲透力；Gi為土體重力；Fi為浮力。

1.3 保護(hù)層材料的確定

1）保護(hù)層的作用：避免植物根系穿透土工膜或者無紡布，同時(shí)防止陽光和大氣的影響加快土工膜或者無紡布的老化過程，由于墊層施工時(shí)要求表面平整又增加了膜料的幅寬，提高材料的利用系數(shù)，降低造價(jià)。

2）防滲作用，擴(kuò)大了土工膜防滲渠道的適用范圍，并且可以防止渠道內(nèi)水位降落，帶走土顆粒。

根據(jù)省內(nèi)工程運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，保護(hù)層材料（墊層）厚度通常采用凍深的1／3為宜，一般由10～15 cm厚的中粗砂墊層組成。本工程采用砂墊層10 cm，上表面用12 cm厚的混凝土板護(hù)面，采用雙層防護(hù)措施一方面可以減少揚(yáng)壓力和滲透水壓力作用，另一方面還能適應(yīng)流量為116 m3／s的渠道水流速，擴(kuò)大了土工膜防滲渠道的適用范圍。為了防止反濾層從膜料上滑塌以及穩(wěn)固混凝土板，必須進(jìn)行固坡處理。引嫩擴(kuò)建骨干工程屬于省內(nèi)大型的渠道工程，穩(wěn)固邊坡護(hù)砌混凝土板和渠底混凝土板的措施及操作方法是采用50 cm×50 cm×20 cm厚的混凝土板來穩(wěn)固渠底坡腳，采用該固腳后整體性強(qiáng)，且具有一定的強(qiáng)度，0～50 km渠道護(hù)砌工程從2010年運(yùn)行至今固腳變形或者脫落情況鮮有發(fā)生，表明既能起到固坡作用，又能進(jìn)一步起到保護(hù)反濾層的作用。砂墊層厚度偏小值≤0.02 m；平整度允許偏差≤±0.5 cm。

2 混凝土板、土工膜斷面雙防渠道的防凍脹設(shè)計(jì)

混凝土等剛性材料和復(fù)合土工膜料等柔性材料相結(jié)合是高寒地區(qū)合理也是應(yīng)用最廣泛的渠道防滲結(jié)構(gòu)型式。一方面保護(hù)層起保護(hù)膜料作用，防止老化、防凍脹的作用，剛性材料保護(hù)層護(hù)砌混凝土板還有加固渠道的作用，復(fù)合土工膜主要起著防滲和適應(yīng)渠堤土不均勻變形的作用。二者的結(jié)合防止渠道由于受到寒區(qū)凍脹破壞，產(chǎn)生土堤不均勻變形，保證土工膜的不塌落和提高渠坡穩(wěn)定性以及完整性。因此這種結(jié)合方式防滲效果好，并且有利于防治凍脹破壞對(duì)堤壩產(chǎn)生的危害［2］。

2.1 設(shè)計(jì)成渠的水文地質(zhì)條件

渠道為半挖半填渠道，以挖方為主，渠道沿線為第四系全新統(tǒng)沖擊層（alQ4），表層巖性以砂性土為主。渠道利用系數(shù)低，滲漏嚴(yán)重，造成渠道兩側(cè)渠堤次生鹽漬化。因此設(shè)計(jì)采用渠堤用黏土或砂壤土分層碾壓填筑，土工膜進(jìn)行堤型兩側(cè)斷面防滲與渠底連接成防滲整體。為了防止凍脹和鹽脹，渠堤碾壓干容重≥1.65 g／cm3。通過渠基壓密以后，一方面土中的自由水少了，表現(xiàn)在同一負(fù)溫下，土壤中水分成冰量隨之減少了；與此同時(shí)，土壤中可供其在負(fù)溫度條件作用下遷移的水分也很少，凍脹量隨之減少、降低。其中，烏北11～50 km左、右堤采用土工膜上覆，可有效減少雨水的滲入和渠底滲水，從而降低渠堤土的含水量，使渠道具備了防滲漏、防凍脹破壞的效果。

歷年北引引水在9月底結(jié)束，11月底進(jìn)入結(jié)凍期。渠道的設(shè)計(jì)水深在3.5 m，有利于停水后在凍結(jié)前渠道土壤內(nèi)的水分盡快排干，減輕凍脹對(duì)渠道襯砌的不利影響，渠道采用基土換填水積砂或者砂礫石混合料，依據(jù)附近砂礫料場(chǎng)及其儲(chǔ)量情況，將凍深范圍內(nèi)的產(chǎn)生凍脹變形土壤部分用砂礫料替換掉用以縮減凍脹變形、同時(shí)提升了邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)遠(yuǎn)離嫩江主河道地下水位很淺，渠堤土處于毛細(xì)飽和區(qū)又無排水設(shè)施時(shí)，采取的措施是將產(chǎn)生凍脹破壞范圍內(nèi)的基土換掉，這樣才能防止渠堤每年都產(chǎn)生凍脹變形，影響堤壩運(yùn)行安全。換填中粗砂礫混合料的去用因地制宜，就近運(yùn)輸減少工程造價(jià)，需要強(qiáng)調(diào)的是換填料中的含泥量一定要小于規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，砂粒徑＜0.1 mm的顆粒含量按地下水位的高和低控制在5%～7%以下。又由于中粗砂礫混合料的不均勻系數(shù)小，孔隙率大，所以排水效果好。渠道在實(shí)際開挖和填筑時(shí)要避開埋深較淺的地下水，減少地下水對(duì)渠道凍脹的影響和防止土壤鹽分的聚積，防止鹽堿化的發(fā)生。對(duì)具有Ⅲ級(jí)以上凍脹性土體的渠道防滲工程，其在理論上凍脹量h應(yīng)＞12 cm，其換填厚度用下式計(jì)算：

式中：hi為渠道橫斷面上分析部位的設(shè)計(jì)凍脹量，cm；h[ ]1為應(yīng)用防滲材料渠道的允許凍脹量；Hoi為渠道橫斷面上分析部位的設(shè)計(jì)凍脹深度值，cm。

2.2 設(shè)計(jì)考慮的渠道引水條件

渠道引水和輸水為直接引嫩江水，渠道沖於不平衡，渠道邊坡垮塌，渠底水草密布，嚴(yán)重影響渠道的安全運(yùn)行及正常灌溉。為了防止渠道產(chǎn)生沖刷和淤積變形，采用混凝土板襯砌的方式。混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C25，抗凍等級(jí)采用F200，級(jí)配要求2級(jí)配，水泥使用硅酸鹽水泥，骨料要求質(zhì)地堅(jiān)硬，這些條件增加了混凝土防凍融破壞的性能。斷裂力學(xué)出現(xiàn)后，以前人們嘗試用斷裂力學(xué)的理論來研究分析混凝土的斷裂機(jī)理和宏觀裂縫的穩(wěn)定性及其產(chǎn)生機(jī)理，其中學(xué)者Neville認(rèn)為混凝土試件斷面及整個(gè)尺寸對(duì)其強(qiáng)度的影響與混凝土中隨機(jī)分布的宏觀裂縫有密切的關(guān)系［7］。經(jīng)過4 a渠道通水運(yùn)行發(fā)現(xiàn)預(yù)制混凝土板襯砌，產(chǎn)生凍脹裂縫分散發(fā)生在各砂漿結(jié)合連接縫處，但產(chǎn)生的縫寬極小，非冬季消融期大部分較易閉合，方便和減少維修及其次數(shù)，表明其設(shè)計(jì)尺寸及其要求能夠適應(yīng)凍脹變形。本設(shè)計(jì)采用預(yù)制混凝土板襯砌渠道的方式，可以減少該渠道的糙率，糙率n在0.017～0.020；所以增大了水流流速，同時(shí)提高了輸水量，滿足下游工農(nóng)業(yè)用水的需求；理論方面在輸水量一定的前提下，可以減少渠道斷面面積，從而相應(yīng)減少主體工程工程量及占地面積，從而減少破壞基本農(nóng)田提高保護(hù)生態(tài)環(huán)境的要求，化解多年來北部引嫩灌渠與當(dāng)?shù)卣鞯氐拿?，同時(shí)也節(jié)約國家資金投資，同時(shí)也減少了引嫩灌渠受凍面積，保證在每年4月—9月的通水期順利運(yùn)行。

3 討 論

1）統(tǒng)計(jì)研究表明梯形斷面情況下，允許凍脹變形值為2.7 cm，凍脹殘余變形值為3.2。對(duì)于渠底預(yù)制混凝土板護(hù)面設(shè)計(jì)成弧形斷面較佳，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)是按照標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面，因?yàn)殡m然在自重的作用下，渠底混凝土板面有一定反拱力，保證整體斷面比較穩(wěn)定，考慮到引嫩灌渠長度為240 km，施工作業(yè)面大，戰(zhàn)線太長，帶水作業(yè)困難，設(shè)計(jì)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面，另外，標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面濕周小，水力半徑大，從而有效減少沿程損失，有效提高過水能力，另外在左堤和右堤堤頂下0.5 m處采用堤身上覆土工膜方式，有效減輕了凍脹破壞的發(fā)生。

2）根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁?、土壤特性以及地下水位等資料，對(duì)襯砌渠道陰坡和陽坡可以采用合理厚度4～8 cm的保溫板，能夠消除邊坡中、下部的凍脹，使其凍脹量保持在規(guī)范允許范圍內(nèi)。根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定保溫法可以在中小型渠道的強(qiáng)凍脹地區(qū)中采用的防凍措施。若采用保溫和換填法相結(jié)合的措施后，凍脹量的減少趨勢(shì)如何變化以及置換凍深料的換填厚度將會(huì)發(fā)生的變化規(guī)律，應(yīng)深入進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3）因總干渠全段面防滲護(hù)砌阻斷了堤身的排水出路，因此堤后需設(shè)置排水設(shè)施，設(shè)計(jì)時(shí)考慮在左側(cè)設(shè)置坡水溝，周邊渠坡水經(jīng)過坡水溝，匯集渠底涵洞后排入嫩江主河道，同時(shí)可以采用帶有反濾作用的排水管排水。通過通水運(yùn)行該措施可以降低堤身浸潤線和出逸點(diǎn)高度，基本上消除了背水坡滲流出逸比降過大對(duì)堤身的影響。

4）采用復(fù)合襯砌即預(yù)制混凝土板或者現(xiàn)澆混凝土＋復(fù)合土工膜的方式進(jìn)行渠道防滲時(shí)，其防滲抗凍能力更加明顯，具有適應(yīng)變形能力和提高耐久性的性能，說明了采用混凝土板襯砌和復(fù)合土工膜雙防渠道設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

［1］任之忠.渠道襯砌工程采用保溫與換填防凍措施的設(shè)計(jì)［J］.防滲技術(shù)，1998（04）：9-11.

［2］季仁保.渠道防滲技術(shù)新進(jìn)展［J］.中國農(nóng)村水利水電，2003（04）：1.

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1007-7596（2015）07-0060-03

2015-06-28

李嚴(yán)坤（1977-），男，黑龍江大慶人，工程師；王國志（1967-），男，黑龍江大慶人，教授級(jí)高工；屈明洋（1986-），男，黑龍江哈爾濱人，工程師。